1.1功率电子线路概述

1、第第 1 章功率电子线路章功率电子线路1.1功率电子线路概述功率电子线路概述1.2功率放大器的电路组成和工作特性功率放大器的电路组成和工作特性1.3乙类推挽功率放大电路乙类推挽功率放大电路1.4功率合成技术功率合成技术1.5整流与稳压电路整流与稳压电路 第第 1 章章 功率电子线路功率电子线路1.1功率电子线路概述功率电子线路概述1.1.1功率放大器功率放大器1.1.2电源变换电路电源变换电路1.1.3功率器件功率器件1.1功率电子线路概述功率电子线路概述 作用：作用：高效高效地实现能量地实现能量变换变换和和控制控制。 种类：种类： ( (1) )功率放大电路功率放大电路特点：放大特点：放大用

2、途：通信、音像等电子设备。用途：通信、音像等电子设备。 ( (2) )电源变换电路电源变换电路特点：能量变换特点：能量变换用途：电源设备、电子系统、工业控制等。用途：电源设备、电子系统、工业控制等。1.1.1功率放大器功率放大器特点：特点：工作在工作在大信号大信号状态。状态。一、功率放大器的性能要求一、功率放大器的性能要求 安全安全。输出功率大，管子。输出功率大，管子在在极限条件下运用。极限条件下运用。 高效率高效率。 C 集电极效率集电极效率( (Collector Efficiency) ) C Co oo oD Do oC CPPPPP Po 输出信号功率输出信号功率 ；PD 电源提供的

3、功率；电源提供的功率； PC 管耗管耗 ( (Power Dissipation) )/集电极耗散功率；集电极耗散功率； Po 一定，一定， C 越高，越高，PD 越小越小 PC 小，小， 以降低费用，以降低费用，也节省能源。也节省能源。 失真小失真小。尽管尽管功率增益功率增益也是重要的性能指标，但也是重要的性能指标，但安全、高效安全、高效和和小失真小失真更重要，更重要，前者可以通过增加前置级祢补前者可以通过增加前置级祢补。 二、功率管的运用特点二、功率管的运用特点1功率管的运用状态功率管的运用状态根据根据功率管功率管在一个信号周期内导通时间的不同，在一个信号周期内导通时间的不同，功率功率管运

4、用状态管运用状态可分为可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。等多种。 甲类：功率管在甲类：功率管在一个一个周期内导通周期内导通 。 乙类：功率管仅在乙类：功率管仅在半个半个周期内导通周期内导通。 甲乙类：管子在甲乙类：管子在大于半个大于半个周期小于一个周期内导通。周期小于一个周期内导通。 丙类：功率管在丙类：功率管在小于半个小于半个周期内导通。周期内导通。 功率管运用状态功率管运用状态通常靠选择通常靠选择静态工作点静态工作点来实现。来实现。功率管的运用状态功率管的运用状态根据下列曲线说出功率管的应用状态：根据下列曲线说出功率管的应用状态：图图 111各种运用状态下的输出

5、电流波形各种运用状态下的输出电流波形2不同运用状态下的不同运用状态下的 C管子的运用状态不同，相应的管子的运用状态不同，相应的 Cmax 也不同。也不同。 CooCPPP 减小减小 PC 可提高可提高 C。 假设假设集电极瞬时电流和电压集电极瞬时电流和电压分别为分别为 iC 和和 vCE，则，则 PC 为为 20CECCd21tviP 讨论：讨论：若减少若减少 PC，则要减少，则要减少 iC vCE 方法方法 1：由由甲类甲类 甲乙类甲乙类 乙类乙类 丙类丙类，即，即减小管子减小管子在信号周期内的导通在信号周期内的导通( (增大增大 iC = 0) )的时间。的时间。 方法方法 2：管子运用于

6、开关状态管子运用于开关状态( (又称丁类又称丁类) )，即一周期内即一周期内半饱和半截止半饱和半截止。饱和时，饱和时，vCE VCE (sat) 很小很小 PC 很小；很小；截止时，截止时，iC 很小，很小，iC vCE 也很小也很小 PC 很小。很小。 总之：总之：为提高为提高 C，管应用状态可取管应用状态可取乙类、丙类乙类、丙类或或丁类丁类。但集电极电流但集电极电流波形失真严重波形失真严重，电路需采取特定措施，电路需采取特定措施( (见见 1.2 节节) )。1.1.2电源变换电路电源变换电路按变换方式不同：按变换方式不同： ( (1) )整流器整流器( (Rectifier) )：交流电

7、交流电- -直流电直流电。应用：电子设备供电。应用：电子设备供电。 ( (2) )直流直流- -直流变换器直流变换器( (DC-DC Converter) )：直流电直流电- -直直流电流电。应用：开关电源。应用：开关电源。 ( (3) )逆变器逆变器( (Inverter) )：直流电直流电- -交流电交流电。应用：不间断电源、变频电源。应用：不间断电源、变频电源。 ( (4) ) 交流交流- -交流变换器交流变换器( (AC- -AC Converter) )：交流电交流电- -交交流电流电。应用：变压等。应用：变压等。 1.1.3功率器件功率器件功率管的种类：功率管的种类：( (1) )

8、双极型功率晶体管双极型功率晶体管( (2) )功率功率 MOS 管管( (3) )绝缘栅双极型功率管绝缘栅双极型功率管 功率管是功率放大电路的关键器件功率管是功率放大电路的关键器件，为保证安全工作，为保证安全工作，需了解其需了解其极限参数极限参数及及安全工作区。安全工作区。 以以双极型双极型功率管为例，安全工作区受如下功率管为例，安全工作区受如下极限参数极限参数限制：限制： 最大允许管耗最大允许管耗 PCM。与散热条件密切相关。与散热条件密切相关。 基极开路集基极开路集 - 射二次击穿电压射二次击穿电压 V(BR)CEO 。 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 。以上以上参数与参数与

9、功率管的结构、工艺参数、封装形式有关。功率管的结构、工艺参数、封装形式有关。一、功率管散热和相应的一、功率管散热和相应的 PCM 管耗管耗 PC 主要消耗在集电结上，使结温升高。主要消耗在集电结上，使结温升高。若集电极的散热条件良好，若集电极的散热条件良好，集电结上的热量很容易散集电结上的热量很容易散发到周围空气中去，则发到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到集电结就会在某一较低温度上达到热平衡热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热量。量。反之，散热条件不好，反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度上达集电结就会在更高的温度上

10、达到热平衡，甚至产生到热平衡，甚至产生热崩热崩而烧坏管子。而烧坏管子。 热崩热崩( (Thermal Runaway) )： 集电结结温集电结结温( (Tj) ) iC PC Tj 如此反复，直如此反复，直至至 Tj TjM( (集电结最高允许温度集电结最高允许温度) )而导致管子被烧坏的一种而导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。恶性循环现象。提高提高 PCM 的办法：的办法：图图 114( (a) )、( (b) ) 功率管底座上加装散热器功率管底座上加装散热器 ( (c) ) 相应的热等效电路相应的热等效电路 管子管子集电极集电极直接固定在金属底座上。直接固定在金属底座上。 金属底座与管壳相

11、连。金属底座与管壳相连。 金属底座还加装金属散热器。金属底座还加装金属散热器。各种散热片各种功率晶体管二、二次击穿二、二次击穿除除 PCM、ICM 和和V(BR)CEO 满足安全工作条件外，要保证满足安全工作条件外，要保证功率管安全工作，还要求不发生功率管安全工作，还要求不发生二次击穿二次击穿。 二次击穿二次击穿( (Secondary Breakdown) )：当集当集 - - 射反向电压超过射反向电压超过 V(BR)CEO 时，会引起击穿，但时，会引起击穿，但只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压小于极电压小于 V(BR)

12、CEO 后，管子可恢复正常工作。后，管子可恢复正常工作。如果发生上述击穿，电流不加限制，就会出现集电极如果发生上述击穿，电流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象集电极电流迅速增大的现象，即为，即为二次击二次击穿穿。 后果：后果：过热点的晶体熔化，集过热点的晶体熔化，集 - - 射间形成低阻通道，射间形成低阻通道，引起引起vCE下降，下降，iC 剧增剧增，损坏功率管，且不可逆。，损坏功率管，且不可逆。 发生条件：发生条件：它在高压低电流时发生它在高压低电流时发生，相应的功率称为，相应的功率称为二次击穿耐量二次击穿耐量 PSB。图图 115图计及二次击穿时功

13、率管的安全工作区图计及二次击穿时功率管的安全工作区功率管的安全工作区功率管的安全工作区三极管发射极发射极 E基极基极 BPNN+集电极集电极 C发射极发射极 E基极基极 BNPP+集电极集电极 CBCEBCE发射结发射结集电结集电结 输入特性曲线输入特性曲线VCE = 0IB / AVBE /VVBE(on)0.3V10 VOV(BR)BEOIEBO + ICBOq VCE 一定：一定：类似二极管伏安特性。类似二极管伏安特性。q VCE 增加：增加：正向特性曲线略右移。正向特性曲线略右移。注：注：VCE 0.3 V 后，曲线移动可忽略不计。后，曲线移动可忽略不计。 输出特性曲线输出特性曲线q

14、饱和区饱和区( (VBE 0.7 V，VCE 0.3 V) )IC /mAVCE /VOIB = 40 A30 A20 A10 A0特点特点条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏VCE曲线略上翘曲线略上翘具有正向受控作用具有正向受控作用满足满足 IC = IB + ICEOq 截止区截止区( (VBE 0.5 V， VCE 0.3 V) )IC /mAVCE /VOIB = 40 A30 A20 A10 A0特点：特点：条件：条件： 发射结反偏，集电结反偏。发射结反偏，集电结反偏。IC 0，IB 0近似为近似为 IB 0 以下区域以下区域 q 击穿区击穿区特点：特点：VCE 增大到一

15、定值时，集电结反向击穿，增大到一定值时，集电结反向击穿，IC 急剧增大。急剧增大。V(BR)CEO集电结反向击穿电压，随集电结反向击穿电压，随 IB 的增大而减小。的增大而减小。注意：注意：IC /mAVCE /VOIB = 40 A30 A20 A10 A0IB = - -ICBO (IE = 0)V(BR)CBOMOS管+TVDSIG 0VGSID+- - -共源组态特性曲线：共源组态特性曲线：ID = f ( VGS )VDS = 常数常数转移特性：转移特性：ID = f ( VDS )VGS = 常数常数输出特性：输出特性： NEMOS 管输出特性曲线管输出特性曲线q 非饱和区非饱和区

16、特点：特点：ID 同时受同时受 VGS 与与 VDS 的控制。的控制。当当 VGS为常数时，为常数时，VDSID 近似线性近似线性 ，表现为一种电阻特性；，表现为一种电阻特性； 当当 VDS为常数时，为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。，表现出一种压控电阻的特性。 沟道预夹断前对应的工作区。沟道预夹断前对应的工作区。条件：条件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGS VGS(th)注意：饱和区注意：饱和区( (又称有源区又称有源区) )对应对应三极管的放大区。三极管的放大区。2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCI q 截止区截止区特点：特点：相